CN106896615A - 非线性螺旋相位器件 - Google Patents

Abstract

一种能够产生具有轨道角加速度的涡旋光束的非线性螺旋位相器件。该非线性螺旋位相器件由一个高度变化率为非线性的微介质螺旋结构构成，当入射光垂直入射非线性螺旋位相器件底面并通过该器件之后，在器件前端形成具有轨道角加速度的涡旋光场。区别于传统线性器件的光场分布，本发明器件由于具有非线性的特性，致使其产生的涡旋光场不仅仅具有轨道角动量，同时具有轨道角加速度。正由于轨道角加速度的存在，光场的梯度变化越来越大，微粒子受到的力也就越大，在微粒子的筛选、控制领域有更为深远的应用空间。

Description

非线性螺旋相位器件

技术领域

本发明属于光学和光电技术领域，涉及微光学器件制作、光矢量场的控制以及利用光场对粒子的操控。其最大的特点是非线性的螺旋结构带来的具有轨道角加速度的涡旋光场，这种特殊的光场已经被广泛应用在很多领域，如光镊，光通信、量子信息传输、超分辨成像、微粒子捕获和筛选等领域。

背景技术

在微粒子操纵和筛选中，涡旋光束能将其具有的轨道角动量传递给粒子，这个传递过程是无接触、无损伤的。因此能够产生涡旋光束的器件被广泛应用，具有重要的应用价值，。由于微螺旋结构具有螺旋性质，因此常利用其来产生涡旋光束。之前已有线性高度变化率的微螺旋器件被提出，但是光束通过线性微螺旋锥器件后只能产生具有单一轨道角动量的涡旋光束，应用范围较为狭窄。目前对非线性微介质螺旋的研究尚不全面，其优势在于利用高度变化率非线性的特性产生具有不同轨道角动量与轨道角加速度的涡旋光束，从而带来新的特性。

发明内容

本发明目的是为产生具有轨道角加速度的涡旋光束，提供一种非线性螺旋相位的器件。

本发明提供的非线性螺旋相位器件所产生的涡旋光束能使粒子持续的受到大小不同力的作用，从而进行变速运动，便于寻迹和筛选。所述器件拥有高度变化率为非线性的微介质螺旋结构；该器件在柱坐标系下的结构方程h(θ)为：

其中：λ是入射光波长，n是介质材料折射率，θ是柱状坐标系下的角度。所述的器件材料为玻璃基底以及高分子塑料镜片；入射波长λ_inc＝500nm，折射率n＝1.5，入射光应垂直器件表面入射。

其角加速度推导过程如下：

传播距离为：

则

所以θ″_(z)≠0，即角加速度不为0。其中，ψ(θ)为关于θ的相位分布，u为光场的复振幅，Δk_z为传播方向z波矢变化量，z为传播方向，θ′_(z)为角速度，θ″_(z)为角加速度。

本发明的优点和积极效果：

本发明提供的非线性螺旋位相器件，当入射光垂直入射非线性螺旋位相器件底面并通过该器件之后，由于非线性微介质螺旋结构的旋转特性，在非线性螺旋位相结构前端形成涡旋光场。

不同于一般的线性器件，只能产生具有单一轨道角速度的涡旋光场。由于本发明中微介质螺旋结构的引入了非线性因子入射光经非线性螺旋位相器件后在结构前端形成具有轨道角加速度的涡旋光束，其涡旋范围大于常规线性器件产生的仅具有单一轨道角速度的涡旋光束，同时由于其轨道角动量不唯一，可使微粒子做曲率半径更大的变速曲线运动，从而有利于实现不同微粒子的操纵和筛选，并提高操纵和筛选的效率。

附图说明

图1是能够产生具有轨道角加速度的涡旋光束的非线性螺旋位相器件的三视图。其中：(a)是非线性螺旋位相器件的主剖视图；(b)是非线性螺旋位相器件的左剖视图；(c)是非线性螺旋位相器件的俯视图。

图2是利用空间光调制器代替实际非线性螺旋位相器件时，所用到的系统光路示意图，其中1为发射波长为500nm的激光器。2为一个控制光强的遮光片。3为一个小孔，形成一个点光源。4为焦距为15cm的透镜，5为光阑，6为空间光调制器。7为焦距为120cm的透镜。8为反射系统，9为倒置式显微镜。

图3是非线性螺旋位相器件的电场分布图。其中：(a)电场E在x＝0处yz平面上的强度分布图；(b)电场E在y＝0处xz平面上的强度分布图；(c)电场E在z＝3.04μm处xy平面上的强度分布图。

图4是非线性螺旋位相器件在z＝3.04μm处xy平面上坡印廷矢量的分量S_xy的分布图，白色箭头表示矢量S_xy的方向。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明提供的能产生具有轨道角加速度的涡旋光束的非线性螺旋相位器件由一个高度变化率为非线性的微介质螺旋结构构成，其在柱状坐标系的结构方程为：

其中：λ是入射光波长，n是介质材料折射率，θ是柱状坐标系下的角度。

本发明中非线性螺旋位相器件的制作可采用光刻工艺和干法刻蚀技术来实现或利用空间光调制器来替代。其具体步骤如下：

(1)利用激光直写/电子束直写方法在光敏介质上曝光，并通过显影制作非线性螺旋位相器件。

(2)利用反应离子刻蚀/电感耦合等离子体刻蚀技术将非线性螺旋位相器件转移到光学玻璃上。

(3)利用计算机模拟出非线性螺旋位相器件的位相图，将其输出至空间光调制器中，利用空间光调制器的灵活性，可在光路中替代非线性螺旋位相器件并随时更换。试验系统如图2所示，其中1为发射波长为532nm的激光器。2为一个控制光强的遮光片。3为一个小孔，形成一个点光源。4为焦距为15cm的透镜，5为光阑，6为空间光调制器。7为焦距为120cm的透镜。8为反射系统，9为倒置式显微镜。

具体应用实例1

非线性螺旋位相器件的具体参数以如下为例：

材料为玻璃，入射波长λ_inc＝500nm，折射率n＝1.5，半径R＝2μm。

图3是激光光束垂直入射非线性螺旋位相器件时的电场分布图。其中：(a)是电场E在x＝0处yz平面上的强度分布图；(b)是电场E在y＝0处xz平面上的强度分布图；(c)是电场E在z＝3.04μm处xy平面上的强度分布图。由图3可以看出光束沿弯曲轨道向前传播且在非线性螺旋位相器件前端形成了聚焦场。

图4是激光光束垂直入射非线性螺旋位相器件时在z＝3.04μm处xy平面上坡印廷矢量的分量S_xy分布图，白色箭头表示矢量S_xy的方向。由图3可以看出能量围绕器件中心均呈现顺时针旋转分布，涡旋效果比较明显，更加有利于对微粒子进行操纵和筛选。

当入射光垂直入射非线性螺旋位相器件底面并通过该器件之后，经过非线性微介质螺旋结构的旋转作用，最终在器件前端形成关于具有轨道角加速度的涡旋光场，角速度越来越大，光场的梯度也越来越大，致使微粒子受到的力越来越大，不同位置的微粒子受力不同，因此更有利于微粒子的操控和筛选。此器件可以被应用于提高粒子筛选和粒子操纵的效率。

Claims (3)

1.一种能够产生具有轨道角加速度涡旋光束的非线性螺旋相位器件，其特征在于该器件拥有高度变化率为非线性的微介质螺旋结构；该器件的微介质螺旋结构在柱坐标系下的结构方程h(θ)为：

$h\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{n-1}\×e^{\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{4}\right)},0\≤\mathrm{\θ}\≤2\mathrm{\π}$

其中：λ是入射光波长，n是介质材料折射率,θ是柱状坐标系下的角度；

当入射光以垂直方向入射到该器件底面并通过该器件之后，由于微介质螺旋结构的旋转特性，将会在非线性螺旋位相结构前端形成具有轨道角加速度的涡旋光场。

2.根据权利要求1所述的非线性螺旋相位器件，其特征在于由于微介质螺旋结构的非线性，平面光经过非线性螺旋相位器件时在结构前端形成特定涡旋光场，该光场不仅具有轨道角动量，还具有轨道角加速度。

3.根据权利要求1所述的非线性螺旋相位器件，其特征在于：所述的器件材料为玻璃基底以及高分子塑料镜片；入射波长λ_inc＝500nm，折射率n＝1.5，半径R＝2μm。入射光应垂直器件表面入射。